FeSe1+x單晶超導(dǎo)體的成分和微觀結(jié)構(gòu)研究

【摘 要】 利用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法燒結(jié)生長出FeSe1+x單晶超導(dǎo)體，并對(duì)其成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究。粉末XRD圖譜證明我們制備的單晶體具有四方結(jié)構(gòu)，為超導(dǎo)相。塊體的XRD圖譜顯示出明顯的101峰，表明塊體為單晶。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，單晶的斷裂面具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)， EDS分析，表明樣品的成分為：FeSe1.04。

【關(guān)鍵詞】 鐵基超導(dǎo)體 ?單晶 ?微觀結(jié)構(gòu) ?化學(xué)計(jì)量學(xué)

1 引言

2006年，日本東京工業(yè)大學(xué)細(xì)野秀雄教授的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)以鐵為主體的超導(dǎo)化合物L(fēng)aFeOP，從此打破了Fe元素不利于形成超導(dǎo)的迷思[1]。自此，超導(dǎo)領(lǐng)域的“鐵器時(shí)代”拉開序幕。

本文以利用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法燒結(jié)生長出的FeSe單晶超導(dǎo)體為對(duì)象，通過掃描式電子顯微鏡（scanning electron microscope，簡寫為SEM）、X-射線衍射儀（X-ray diffraction，簡寫為XRD）和能量色散X射線光譜儀（Energy Dispersive X-Ray Spectroscop，簡寫為EDX或EDS）及其他附屬設(shè)備對(duì)其成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 FeSe單晶超導(dǎo)體的X射線衍射分析

使用X射線衍射儀分別對(duì)FeSe單晶超導(dǎo)體樣品和FeSe多晶超導(dǎo)體樣品（通過把FeSe單晶超導(dǎo)體樣品砸碎成粉得到）進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)，得到的X射線衍射譜如圖2-1所示，圖中橫軸表示衍射角2θ，縱軸表示光子強(qiáng)度。藍(lán)色線表示FeSe多晶超導(dǎo)體樣品的X射線衍射譜，紅色線表示FeSe單晶超導(dǎo)體樣品的X射線衍射譜。

參考高兆順等人得出的FeSe多晶超導(dǎo)體的X射線衍射譜（如圖2-2所示），對(duì)圖3-1中的FeSe多晶超導(dǎo)體樣品的X射線衍射譜進(jìn)行分析：在衍射角2θ等于17°、29°、33°、38°、47.5°、48.5°、51.5°、55.5°和57.5°等角度附近，二者分別都出現(xiàn)了001、101、002、111、112、200、201、103和211等衍射峰。這充分說明我們制備的樣品確實(shí)是FeSe多晶超導(dǎo)體。另外，在衍射角 2θ等于31°和42.5°等角度附近，二者分別也都出現(xiàn)了衍射峰。這是由于制備出的樣品中含有Fe7Se8（詳見圖2-3，制備過程中Fe7Se8的出現(xiàn)幾乎是不可避免的）所致。此外，我們通過對(duì)比還可以確定，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的衍射面是101面。

參考A. J. Williams等人得出的不同組分的FeSe多晶超導(dǎo)體的X射線衍射譜（如圖2-4所示），對(duì)圖3-1中的FeSe多晶超導(dǎo)體樣品的X射線衍射譜進(jìn)行分析。由圖2-4可知，在FeSe中Se的組分從0.82增加到1.14的過程中：在衍射角2θ等于42.5°時(shí)，衍射峰（在Se的組分增加到1.04左右時(shí)出現(xiàn)，經(jīng)判定，此峰是由Fe7Se8所致）從無到有;在衍射角2θ等于44.8°時(shí)，衍射峰從有到無;在衍射角2θ等于47.5°、48.5°和49.7°時(shí)，112、200和003衍射峰分別一直存在（Se的組分為1.14時(shí)除外）。經(jīng)過對(duì)比分析可以肯定，F(xiàn)eSe多晶超導(dǎo)體樣品中的Se的組分在1.04左右，這是在實(shí)驗(yàn)允許的范圍之內(nèi)的。

在圖2-1中：紅線所呈現(xiàn)出來的衍射峰，藍(lán)線都有呈現(xiàn);藍(lán)線呈現(xiàn)出來的衍射峰，紅線未必呈現(xiàn)。通過二者對(duì)比，結(jié)合以上分析得出的結(jié)論，可以充分肯定，實(shí)驗(yàn)所制得的超導(dǎo)體是FeSe單晶超導(dǎo)體，只是里面含有少許雜質(zhì)（Fe7Se8），這在制備過程中幾乎是不可避免的。當(dāng)然，通過實(shí)驗(yàn)條件的改變和工藝水平的提升，可以把其含量進(jìn)一步減小，但完全消除幾乎是不可能的。

2.2 FeSe單晶超導(dǎo)體的電子能譜分析

使用能量色散X射線光譜儀（Energy Dispersive X-Ray Spectroscop，簡寫為EDX或EDS）對(duì)制備出的FeSe單晶超導(dǎo)體樣品進(jìn)行分析，得到其能量色散譜如圖2-5（a）所示，此時(shí)的SEM電鏡掃描圖像如圖2-5（b）所示。其中，F(xiàn)e和Se的原子百分比（At%）分別是49.36%和50.64%。Se與Fe的原子比為50.64/49.36，即1.0259，這是與FeSe1.04中的比例1.04是非常接近的。這也從另一方面說明我們所制備出來的就是FeSe單晶超導(dǎo)體。

2.3 FeSe單晶超導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)掃描分析

使用掃描式電子顯微鏡（scanning electron microscope，簡寫為SEM）對(duì)制備出的FeSe單晶超導(dǎo)體樣品進(jìn)行分析，得到其分別在放大180、400、1000和1800倍時(shí)的圖像如圖2-7所示。從圖中可以看出明顯的片層狀結(jié)構(gòu)，這是Fe原子和Se原子均勻排列的表現(xiàn)。這和單晶體中原子的陣列分布是相吻合的，也再一次證明了我們制備出的樣品的的確確是FeSe單晶超導(dǎo)體。

3 結(jié)語

從2008年2月發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體至今的5年時(shí)間里，國際上對(duì)鐵基超導(dǎo)體的研究熱忱從未消減，并且在我國也已經(jīng)如火如荼的進(jìn)行。不斷有新結(jié)構(gòu)的鐵基超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，對(duì)鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制和相關(guān)物性的研究工作也在深入展開。如今，我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中過固相反應(yīng)法對(duì)材料進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，成功制備出了FeSe1+x單晶超導(dǎo)體樣品，其尺寸為5-10mm。其次，我們使用掃描式電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）和能量色散X射線光譜儀（EDS）對(duì)制備出的樣品微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，看到了大量超導(dǎo)相的存在。最后，我們對(duì)制備出的超導(dǎo)體進(jìn)行了成分分析，最終確定它是FeSe1.04。

另外，我們還得出以下結(jié)論：由制備出的FeSe超導(dǎo)體的XRD衍射圖譜分析可知，樣品以FeSe為主相，但存在少量的雜峰（這是由于制備出的樣品中含有Fe7Se8，這在制備過程中是不可避免的），其含量在簡陋的實(shí)驗(yàn)條件下是可以接受的，當(dāng)然，通過實(shí)驗(yàn)條件的改變和工藝水平的提升，可以把其含量進(jìn)一步減小，但完全消除幾乎是不可能的。另外，雜質(zhì)的存在雖然不利于單晶超導(dǎo)體本征屬性的研究，但也并不是全無壞處，實(shí)驗(yàn)證明，適量雜質(zhì)的存在，對(duì)于提高超導(dǎo)體的臨界傳輸電流密度是非常有益的。

參考文獻(xiàn)

[1]Yoichi Kamihara， Hidenori Hiramatsu， Masahiro Hirano， Ryuto Kawamura， Hiroshi Yanagi， Toshio Kamiya， and Hideo Hosono. Iron-Based Layered Superconductor： LaOFeP. Journal of American Chemical Society. 2006，128（31）：10012-10013.

[2]Zhaoshun Gao， Yanpeng Qi， Lei Wang， Dongliang Wang， Xianping Zhang， Chao Yao， Yanwei Ma*，Superconducting properties of FeSe wires and tapes prepared by gas diffusion technique，Key Laboratory of Applied Superconductivity， Institute of Electrical Engineering， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China.

[3]A. J. Williams， T. M. McQueen and R. J. Cava，The Stoichiometry of FeSe，Department of Chemistry， Princeton University， Princeton NJ 08544.

作者簡介：黃鑫磊（1990—），男，河南人，工學(xué)學(xué)士，國家電網(wǎng)新疆電力科學(xué)研究院，主要從事工程材料和電力系統(tǒng)研究方面的工作。